NO139359B - Pumpe for korroderende flytende metaller - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en konduksjonsptimpe for pumping av korroderende metaller, som f.eks. aluminium, zink, støpejern eller stål, i flytende tilstand. Anvendelse av pumper for flytende metaller er blitt, utviklet samtidig med forskjellige tekniske prosesser som krever strømning.åy flytende metall, særlig.for støperiarbeider, rensing.av'métaller samt også som varmeførende fluid i kjernereaktorer. Ved drift av disse pumper utnyttes de flytende metallers elektriske ledningsevne for frembringelse av en drivende elektromagnetisk kraft for bevegelse av metallet. Det skilles således mellom to typer av elektromagnetiske pumper, nemlig konduksjonspumper og induksjonspumper.

Ved den førstnevnte type bringes elektrisk strøm til å passere

på tvers gjennom et avsnitt av strømningskanalen og det flytende metall som denne inneholder, mens et magnetisk felt påtrykkes perpendikulært både på retningen av den elektriske strøm og

på strømningsretningen for det flytende metall, således at det inne i det flytende metall vil opptre en kraft rettet langs den tredje akse i et rettviklede koordinatsystem, hvis første to akser henhv. er rettet langs det magnetiske felt og i retning av den elektriske strøm. Det har imidlertid hittil ikke vært mulig å anvende denne pumpetype, som er lett å tilvirke når strømnings-kanalen for det flytende metall i seg selv er ledende, for korroderende flytende metaller, som i så fall raskt ville korrodere og ødelegge kanaler av vanlige metalliske materialer. Resultatet

av dette er at konduksjonspumper ved teknikkens nåværende stilling, bare kan anvendes, for pumping av svakt korroderende metaller, som f.eks. alkali-metaller, bly, kvikksølv eller magnesium..

For mer aktive metaller har omstendighetene fremtvunget .ut-førelse av strømningskanalen i.varmebestandige materialer> som vanligvis er meget dårlige elektriske ledere. Dette forhold har ført til at det i praksis anvendes induksjonspumper. I denne pumpetype induserer hensiktsmessig plasserte magnetiske kretser et vandrende magnetisk felt i det flytende metall. Dette felt trekker med seg det smeltede metall inne i strømningskanalen, på samme måte som rotoren i en asynkronmotor trekkes med dreiefeltet i en roterende bevegelse. Dette gjør at denne pumpetype nærmest virker som lineær motor.

Sådanne induksjons<p>umper blir imidlertid ganske omfangsrike på grunn av nødvendigheten av å anbringe magnetiske kretser rundt et. rør av varmebestandig material, og dette utgjør et hinder for disse pumpers-'.anvendelse i praksis når det er ønskelig å bygge inn

pumpen innenfor et begrenset område.

Videre er denne pumpetype ikke selv-startende når det metall som

skal pumpes befinner seg under pumpens nivå, og i betraktning av disse pumpers store omfang og.masse, vil det være vanskelig å senke pumpen for å lette igangsetning av pumpeprosessen. Fordelene ved sådanne induksjonspumper oppveies således av betraktelige ulemper.

For å unngå de forskjellige ulemper ved induksjonspumper, har man forsøkt å fremskaffe egnede konduksjonspumper for korroderende flytende metaller, og hvori tilfredsstillende elektrisk kontakt kan oppnås mellom et kretselement som fører en kraftig strøm og strømningen'av korroderende metall i en kanal utført av varmebestandig material, idet to av kanalens sider i pumpens aktive avsnitt er erstattet med passende elektroder. En sådan løsning byr åpenbart på flere problemer. Disse gjelder nærmere bestemt beskyttelse av elektrodene mot det korroderende metall, den ulike varmeutvidelse av elektrodene og nevnte varmebestandig material, samt endelig.fluid-tett forbindelse,mellom nevnte elektroder og det varmebestandige material.. Alle disse problemer må vurderes i sammenheng.

Anvendelse av keramisk material, som hovedsakelig ikke på-

virkes av korroderende metaller, i strømningskanaler for flytende metall er kjent, f.eks. frå fransk patentskrift nr..1.520.454.

Det dreier seg imidlertid her om vanlig ikke-ledende keramisk material som vanskelig kan anvendes som korrosjonsbestandig, elektrodematerial for føring av høye strømstyrker i en konduksjonspumpe.

Etter et betydelig.utviklingsarbeid,' særlig i forbindelse med vurdering av de fysiske egenskaper for visse varmebestandige • . keramiske og andre materialer ved høy temperatur, er det imidlertid i henhold til oppfinnelsen vist seg mulig å over-vinne de nevnte vanskeligheter Og frembringe en type konduksjonspumper som gir tilfredsstillende drift ved behandling og frem-

føring av korroderende flytende metaller, samtidig som pumpen har.meget små dimensjoner.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en konduksjonspumpe for korroderende flytende metaller og hvori et avsnitt åv det strømmende metall på to motstående sider er avgrenset av elektroder rettet vinkelrett mot metallstrømningen og på dé øvrige sider av et varmebestandig keramisk material, idet en elektrisk strøm ledes mellom elektrodene og på tvers av strømningsretningeh. gjennom metallet, som derved utsettes for en mekanisk kraft frembragt;av nevnte strøm i samvirke med en magnetisk induksjon, som er rettet perpendikulært både på retningen av dén elektriske strøm og metallets strømningsrétning....

Oppfinnelsens særtrekk består herunder i at i det minste de overflatedeler av elektrodene som befinner seg i kontakt med det korroderende flytende metall, utgjøres av elektrisk ledende keramisk material...

Når den strøm som passerer tvers over vedkommende avsnitt av strømmende flytende metall, er likestrøm, må den magnetiske induksjon som det flytende metall er utsatt for og som frembrines av en hovedmagnetkrets også -være ensrettet og konstant. Når imidlertid strømmen gjennom det flytende metall er vekselstrøm, vil det også være nødvendig med en tilsvarende vekslende magnetisk induksjon. Det vil da være fordelaktig å frembringe nevnte vekselstrøm ved induksjon i en strømspole. For dette formål anvendes en ytterligere magnetisk krets, som i det følgende vil bli henvist til som den sekundære magnetkrets.

Hpvedmagnetskretsen og den sekundære magnetkrets omfatter hver en induksjonsvikling. Disse viklinger må anordnes tilstrekkelig varmelsolert fra pumpeområdet til at de ikke utsettes for direkte varmepåvirkning fra det flytende metall og de pumpedeler som er bragt til en høy temperatur.'

I henhold til fransk patentskrift nr.1.157.016, som angår en vekselstrømdrevet konduksjonspumpe, er for dette formål mellom - rommet mellom elektromagnetens poler og dens magnetiseringsviklinger fylt med et nytt og formbart varmeisolerende material, som anbringes på plass etter at pumpen forøvrig er ferdigtilvirket.

I henhold til oppfinnelsen er imidlertid i dette tilfelle pumpen utført slik at både induksjonsviklingen for hovedmagnetkretsen og induksjonsviklingen for den sekundære magnetkrets, når pumpen er i drift, er anordnet utenfor det flytende metall ved den ene ende av sine respektive mågnetkretser, samt adskilt frå strøm-spolen og elektrodene for pumpen ved hjelp av en fast montert, stiv termisk skjerm i form av et tykt lag av keramisk material.

Pumpens omfang er. således redusert omkring den strømningskanal

som inneholder flytende metall.

Selve strømspolen kan da bestå av et konvensjonelt ledende metall f.eks. kobber eller nikkel. På den annen side--må elektrodene bestå av material med en termisk utvidelsekoeffisiént som ligger nærmest mulig tilsvarende koeffisient for det anvendte varmebestandige material, således at det ikke oppstår noen spalt mellom

de to materialer på grunn av forskjellig varmeutvidelse. Videre må det være mulig å sveise vedkommende elektrodematérial til strøm-spolen, mens elektrodene må være i stand til å motstå på-

virkning av reaktive metaller uten å skades. Det vil innsees at intet kjent material har alle disse egenskaper. I henhold til oppfinnelsen er det derfor søkt å finne en løsning på dette kompliserte problem ved å velge et metall med passende utvidelses-koeffisient, og ved å beleggs elektrodeoverflåtene med en ledende keramisk substans som tåler forbindelse med det korroderende flytende metall.

Det er også funnet at det i visse tilfeller er fordelaktig å utføre strømspolen av fast ledende material og■å anvende elektroder av et porøst keramisk material impregnert med det korroderende flytende metall som føres gjennom pumpen.

En sådan konstruksjon har mange fordeler fremfor kjent teknikk, særlig idet den gjør det mulig å nedsenke vedkommende pumpe i flytende metall for å lette igangsetningen av pumpéprosessen uten å benytte ytre startanordninger.. Dén nødvendige nedsenknings--dybde for å sikre starten, er også meget mindre enn for en induk-sjonspumpe.

Tverrsnittet av pumpelegemet er også meget mindre, da viklingene kan monteres i avstand fra pumpestedet. Når det gjelder pumping under nedsenkning i et flytende metall i en støpedigel eller liknende, vil derfor det fortrengte volum bli meget mindre enn ved anvendelse av konvensjonell teknikk, således at bare en ubetydelig del av det effektive volum av vedkommende støpeinn-retning vil gå tapt. Viklingene vil samtidig være anordnet over metallbadet og vil derved være lettere å beskytte mot utilsiktet temperaturøkning. Alle disse fordeler vil til sammen gjøre denne pumpetype særlig egnet for anvendelse ved pumping under nedsenkning i flytende reaktive metaller.

Videre er pumper av denne type også. i stand til. å motstå et .stort metallostatisk trykk, således at de kan installeres ved bunnen av en digel eller støpekar og gjøre tjeneste som regulator for en metallstrøm, på samme måte som en stoppekran, idet bevegelser av.mekaniske deler er erstattet-av en variasjon, av pumpens strømstyrke. •• '" V

Oppfinnelsen vil. nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av utførelséseksempler under/henvisning-til de vedføyde- tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser skjematisk oppbygningen av en elektromagnetisk

konduksjonspumpe for likestrøm og vekselstrøm.

Fig. 2 og 3 viser to foretrukkede utførelser, begge for vekselstrøm, Fig. 4 er en <p>erspektivskisse som viser plasseringen av en strøm-spole i forhold til strømningskanalen for flytende metall, og Fig. 5 viser i snitt en utførelse med en strømspole utstyrt med

faste elektroder.

I fig..1 er det vist at en elektromagnetisk konduksjonspumpe omfatter en strømningskanal 1 for korroderende flytende metall. Deler av en elektrisk krets for føring av høy strømstyrke i en retning perpendikulært på metallets strømningsretning, antydet ved linjen 4-4' langs kanalen 1, er vist ved 2 og 2'. Vedkommende elektriske krets er ført gjennom det flytende metall ved hjelp av elektrodene 5 og 6, som er spesielt utført for å danne god, elektrisk kontakt med det korroderende flytende metall. En vikling 7 frembringes i det avsnitt av det strømmende flytende metall som krysses av den elektriske strøm, en magnetisk induksjon perpendikulært på strømmen og samtidig på retningen 4-4' for metall-strømningen. Det er kjent at det flytende metall under sådanne omstendigheter vil påvirkes av kraft med retning vinkelrett både på strømmen og den magnetiske induksjon, og som derfor vil ha en,tendens til.å trekke det flytende metall langs strømningskanalen i retningen 4-4'.

Når viklingen 7 og den elektriske krets 2-2" påtrykkes hver sin vekselstrøm i samme fase, vil den kraft som frembringes i det flytende,metail ikke forandre retning, men kontinuerlig forskyve

metallet ,i samme retning langs strømningskanalen.

Fig. 2 og 3 viser skjematisk to utførelser av oppfinnelsens pumpeanordning. Utførelsen i fig..2 tilsvarer en konstruksjon hvor.vekselstrømmen gjennom.det flytende metall frembringes ved hjelp av en ytterligere vikling 8 som fører strøm i fase med. strømmen gjennom viklingen 7. Den magnetisk krets . 9 er hoved-,

magnetkretsen, mens den magnetiske krets•10 utgjør den sekundære krets og induserer i strømspolén 8 en strøm som passerer på tvers

. av strømningskanalen 1 mellom elektrodene 5 og 6.. En sådan konstruksjon krever således to viklinger og to adskilte magnetiske: kretser. Det kan imidlertid i blant være fordelaktig å anvende en konstruksjon som vist i fig:. 3, der en og samme drivspole 7

frembringer både en magnetisk induksjon gjennom, •strømningskanalen 1 og en strøm på tvers av strømningen av flytende metall ved hjelp av elektrodene 5 <p>g 6 samt strømspolen 11.

I fig. 2 og 3 er strømspolen ført to ganger gjennom det magnetiske .

felt for å kompensere ankerréaksjonen.. Dette bevirker imidlertid

.en meget vesentlig økning av luftgapet- i hpvedmagnetkretseh, og følgelig også av reluktansen i denne magnetiske krets. Derfor er i visse utførelser kpmpensasjonsdelen av strømspolen ført dels

på oversiden og dels på undersiden.av hovedmagnétkretsen 9, således at luftgapet derved i høy grad kan reduseres.

Fig. 4 viser.i større målestokk en .skisse av strømspolens, plassering i en konduks jonspumpe. "r - ' - I luftgapet 12 for hovedmagnétkretsen 9 er det først og fremst plassert en strømningskanal 1 for det korroderende, flytende metall. Det vil innsees at denne har form av en rørledning med hovedsakelig rektangulært tverrsnitt. Ved den ene ende av elektroden 5 er det anordnet en skulder 13. som rager ut fra elektroden over' hele strømspolens høyde. Denne spole kan utgjøres av en nikkel- eller kobberskinne. I sistnevnte tilfelle, må kobberskinnen beskyttes, mot oksydasjon ved hjelp av et ikke-oksyderbart belegg, f.eks. et inconel-skikt..

Fig. -5 gjør det lettere å forstå den detaljerte oppbygning av den kompakte strømspole 11 og elektrodene 5 og 6. Skulderen 13 såvel som tre andre tilsvarende'elektrodeskuldre 14, 15 og 16 er vist. I dette utførelseseksempel omfatter strømspolen mellom elektrodene en kobberskinne 19. Denne skinne har opprinnelig hatt sylindrisk form og er innført i et inconel-rør 20, .hvoretter denne sammenstilling er blitt trukket og valset for å frembringe en flat leder. Ved denne fremgangsmåte er det også mulig å oppnå en indre kobberleder adskilt.fra inconel-røret ved et oksyd-lag av.f.eks. aluminium- eller magnesiumoksyd, idet dette vil lette tilpasningen mellom de forskjellige utvidningskoeffisienter for henholdsvis kobber og inconel.

Hovedmaterialet i elektrodene 5 og 6 utgjøres av et metall med hovedsakelig samme utvidelsekoeffisient som det varmebestandige keramiske material som elektrodene er belagt med. Det er i dette tilfelle valgt å benytte elektroder av molybden, men det er også forsøkt anvendt elektroder av andre metaller, f.eks. en legering ay molybden og wolfram. For svesing til kobberskinnen er det nødvendig på forhånd å <p>åføre et nikkellag på baksiden 17 av elektrodene. Det overflateområde 18 av elektrodene som befinner seg i kontakt med det korroderende flytende metall, må være belagt, med et belegg som sikrer god elektrisk ledningsevne, samtidig som det lett vætes av det flytende metall som pumpes. Nevnte belegg må videre ha god vedhefting til elektroden og en høy motstand mot korroderende innflytelse fra det flytende metall. En lengre tids forskningsvirksomhet har gjort det mulig å fastslå at keramiske forbindelser som diborider av molybden, titan, zirkonium og wolfram, likesom titanaluminid gir tilfredsstillende resultater. I det viste utførelseseksempel utgjøres belegget av molybden-diborid. Resten av elektroden må være belagt med et lag som beskytter den mot luftoksydering og gir god kontakt med det om-givende varmebestandige material.

For dette formål har søkeren anvendt nikkel, titan-aluminid og endelig kommersielle produkter som Revetox tilvirket av det franske firma CERAVER.

Beleggene på overflatene 17 og 18 av elektrodene kan f.eks. påføres enten i en gassatmosfære eller ved fluidisert plasma-påsprøyting;;j De således frembragte deler påføres så en masse, av varmebestandig material 21, som er frembragt eksperimentelt ved hjelp av forskjellige keramiske materialer, som oksyder av aluminium,

zirkonium og magnesium, titanater av aluminium og magnesium, samt forskjellige zirkonater og aluminater.

I henhold til et annet utførelseeksempel for punipen kan elektrodene som i det forutgående tilfelle er utført i molybden eller beskyttet wolfram, med stor fordel være fremstilt av en porøs keramisk masse som fortrinnsvis er sintret.

For å gi tilfredsstillende elektrisk ledningsevne gjennom nevnte elektrode samt god vætning av denne ved vedkommende flytende metall kan elektroden på forhånd impregneres med det metall som skal pumpes, eller i det minste med et metall som senere lett kan

oppløses i det smeltede metall. En sådan impregnering er med'

hell utført med aluminium, under forutsetning av at dette er det metall som senere skal pumpes. Videre er også impregnering med tinn og kobber forsøkt, idet disse metaller lett kan blandes med metaller som senere skal pumpes i flytende tilstand.'

Den fremgangsmåte som anvendes ved impregnering av en sådan elektrode går ut på at det porøse keramiske produkt innføres i en vakuumbeholder og vætes med flytende metall ved høy temperatur. Det er viktig å anvende meget høy temperatur, som bare ligger litt ■ under fordampningspunktet for det flytende metall, for å oppnå

en mest mulig lettflytende tilstand. Elektroden impregneres så under trykk med det samme flytende metall.

For støping av strømspolekretsen, kan det som støpeform anvendes et tynnvegget rør av det metall som skal pumpes under den første pumpeprosess. Røret utføres med dimensjoner som strømspolens ytre mål og nedsenkes sammen med den støpte spolen i det smeltede metall under pumpens første arbeidsoperasjon. Materialet i rør-formen smeltes da inn i det flytende metallbad, og strømspolen kan'senere tas ut av metallbadet frigjort fra sin støpeform..

Claims (11)

1. Konduksjonspumpe for korroderende flytende metaller, og hvori et'avsnitt av det strømmende metall på to motstående sider er avgrenset av elektroder rettet vinkelrett mot metall-strømningen og på de øvrige sider av et varmebestandig keramisk material, idet en elektrisk strøm ledes mellom elektrodene og på tvers av strømningsretningen gjennom metallet, som derved utsettes for en mekanisk kraft frembragt av nevnte strøm i samvirke med en magnetisk induksjon, som er rettet perpendikulært både på retningen av den elektriske strøm og metallets strømnings-retning, karakterisert ved at i det minste de over- .flatedeler av elektrodene (5 og 6) som befinner seg i kontakt med det korroderende flytende metall, utgjøres av elektrisk ledende keramisk material.

2. Pumpe som angitt i krav 1, karakterisert védat det material som anvendes i elektrodene (5 og 6) er en legering av metaller i gruppe VI i det periodiske system, beskyttet av et overflatelag av nevnte ledende keramiske material på de elektrodeflater (18) som befinner seg i kontakt med det korroderende flytende metall.

3. Pumpe som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver elektrode (5 og 6) er. belagt med et lag av diborid av et metall i'gruppe IV i det periodiske system på de elektrodeflater (18) som kommer i kontakt med det korroderende flytende metall.

4. Pumpe som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver elektrode er belagt med et lag av aluminid av et. metall i gruppe IV .i det periodiske system, på dé elektrodeflater (18) som kommer i kontakt med det korroderende flytende metall.

5. Pumpe som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver elektrode (5 og 6) er belagt på fiere sider med at aluminid av et metall i gruppe IV i det periodiske system.

6. Pumpe som angitt i krav 1, og hvori nevnte magnetiske induksjon som metallstrømningen utsettes for, frembringes ved hjelp av en hovedmagnetkrets med en induksjonsvikling som til-føres vekselstrøm, mens den elektriske strøm, som føres gjennom metallstrømningen frembringes av en induksjonsvikling på en sekundær magnetkrets gjennom en strømspole som er elektrisk forbundet med elektrodene, karakterisert ved at både induksjonsviklingen (7) for hovedmagnétkretsen og induksjonsviklingen (8) for den sekundære magnetkrets, når pumpen er i drift, er anordnet utenfor det flytende metall ved den ene ende av sine respektive magnetkretser (9 og 10), samt adskilt fra strømspolen (11) og elektrodene (5 og 6) for pumpen ved hjelp av en fast montert, stiv termisk skjerm i form av et tykt lag av keramisk material.

7. Pumpe som angitt i krav 6, karakterisert ved at strømspolen-(11) ut-gjøres av en skinne med rektangulært tverrsnitt, utført av et metall med høy elektrisk ledningsevne som kobber eller sølv, dekket på fire sideflater med et hylster i form av et metallisk lag av f-.:eks. inconel som beskyttelse mot oksydasjon, samt trukket og valset sammen med nevnte skinne, idet nevnte strøm-spole er sveiset ved sine endeflater til nevnte elektroder gjennom et lag av nikkel.

8. Pumpe som angitt i krav 6, karakterisert ved at elektrodene (5 og 6) som er elektrisk forbundet med strømspolen (11), utgjøres av et porøst keramisk material, impregnert med det korroderende flytende metall som føres gjennom pumpen.

9. Pumpe som angitt i krav 8, karakterisert ved at det porøse keramiske matérial som danner elektrodene, er en varmebestandig oksyd som er sintret til porøs form.

10. Pumpe som angitt i krav 8, karakterisert ved at det porøse keramiske material som utgjør elektrodene, er et varmebestandig titanat.

11. Pumpe som angitt i krav 8, karakterisert ved at dét porøse keramiske material som utgjør elektrodene, er et varmebestandig zirkonat.